固结磨料研磨垫磨损特性研究

摘要

固结磨料加工技术凭借其独特的优势，备受研究学者的关注；其既有在应用上的普遍性与广泛性，又有因材料差异而表现出来的特殊性与针对性。其中，固结磨料研磨垫（F AP）的研制及性能评价一直是研究的热点。FAP在加工过程中存在适度的良性磨损，是自修整机制形成的关键。基于FAP加工不同材料时表现出加工性能及磨损的差异，本文采用实验与理论相结合的方法，从定量评价磨损的角度，开展了基于材料特性的固结磨料研磨垫磨损特性研究。主要研究工作和结果如下：
　　（1）采用压痕法和划痕法研究软脆材料氟化钙（CaF2）的力学特性，并探讨 CaF2晶体超精密加工中的脆塑转变行为。得到CaF2晶体的硬度为1.58 GPa，断裂韧性为0.527 MPa·m0.5，理论临界切深为0.806μm，由塑性域向微裂纹域过渡的实际临界切深为1.623μm。压痕尺寸效应表明工件表面化学软化层对磨粒切削行为有一定的促进作用。
　　（2）正交实验研究FAP特性与工艺参数对软脆材料加工多指标的优化。研究FAP硬度、研磨压力、研磨转速和研磨液pH对CaF2晶体加工材料去除率、FAP磨损率、磨损比、表面质量、材料去除保持率和FAP磨损不均匀度的影响，分析材料加工性能、FAP磨损特性及自修整性能。优化选用方案：FAP硬度Ⅲ、压力3 psi、转速60 rpm、研磨液pH值9，获得材料去除率为6.23μm/min，且30 min后保持率为90.3％，磨损比为38.2，实现高效低损伤的固结磨料加工。同时研磨过程中FAP磨损稳定，自修整性能好；磨损量小，具有较长的使用寿命。
　　（3）针对硬脆材料在硬度、弹性模量以及材料去除机理上不同于软脆材料，研究了硬脆材料研磨过程中的材料去除机理和 FAP磨损机理。分步探索研磨液 pH、研磨压力、研磨转速对K9玻璃加工及 FAP磨损随加工时间段变化的动态影响趋势。结果表明：添加铜粉的 FAP，其自修整性能以及耐磨性都相应地提升，获得的材料去除率和磨损比较高。K9研磨的最佳工艺参数为研磨液pH值9，压力3 psi，转速60 rpm，获得的磨损比大且稳定性好，研磨高效低损伤， FAP具有良好的利用率和自修整性能。固结磨料加工过程中存在两个循环过程：1）工件表面化学软化层“生成—去除”循环，2）FAP表层基体“溶胀—磨损”循环。前者影响材料去除效率及工件表面质量，后者影响FAP加工性能、自修整性能及使用寿命。
　　（4）基于FAP基体“溶胀-磨损”循环，分别建立固结磨料研磨过程中溶胀层生成模型和接触磨损模型，分析FAP磨损机理，研究FAP磨损与FAP自身特性、工件材料特性以及工艺参数等因素之间的关系。建立“溶胀-磨损”耦合平衡模型，分析平衡左右两端动态变化的因果。结果显示：铜粉含量、添加剂浓度和添加剂扩散系数等影响基体溶胀率，而压力、相对速度和FAP与工件自身特性等影响接触磨损率。随着FAP硬度的增加，FAP磨损率下降，耐磨性提高；随着工件材料硬度的增加，FAP磨损率上升，与前文实验结论相一致。
　　（5）研究研磨垫表面磨损非均匀性。建立研磨垫表面相对磨损模型，仿真分析工艺参数和研磨垫结构参数对磨损非均匀性的影响。结果显示：工件与研磨垫转速比越大，中心区域磨损越严重；在正弦直线摆动形式下，转速比为1.11，摆动幅度系数为2，摆动频率系数在0.1~0.2之间，磨损轨迹复杂，均匀性较好。此外优化了研磨垫形状，进一步降低了研磨垫磨损非均匀性，获得了更好的面型精度及保持性，延长了修整后在线加工时间。

目录

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注释表

第一章 绪论

1. 1 引言

1. 2 固结磨料加工技术

1. 3 固结磨料研磨垫磨损研究

1. 4 固结磨料加工理论研究

1. 5 研磨加工系统非均匀性研究

1. 6 本文主要研究内容

第二章 基于软脆材料研磨的FAP磨损研究

2. 1 软脆材料CaF2力学特性研究

2. 2 CaF2晶体研磨过程中的FAP磨损评价研究

2. 3 研磨过程中FAP自修整性能探索

2. 4 工艺参数优化及验证

2. 5 本章小结

第三章 基于硬脆材料研磨的FAP磨损影响因素研究

3. 1 K9玻璃研磨实验研究

3. 2 去除磨损机理中的化学作用

3. 3 本章小结

第四章 FAP基体溶胀磨损模型

4. 1 模型建立的理论基础

4. 2 模型建立

4. 3 模型分析

4. 4 本章小结

第五章 研磨垫表面磨损非均匀性研究

5. 1 研磨运动分析及模型建立

5. 2 工艺参数对研磨垫表面磨损非均匀性的影响

5. 3 研磨垫形状优化设计

5. 4 本章小结

第六章 总结与展望

6. 1 总结

6. 2 展望

参考文献

致谢

在校期间的研究成果及发表的学术论文